[물리실험] 광전 효과(photoelectric effect)

 

[물리실험] 광전 효과(photoelectric effect)

 

 

• 실험 기구 & 설명

 

사진1 광전효과 실험기구

위의 <사진1>은 우리가 이번 실험에서 사용할 광전 효과 실험기구를 찍은 사진이다. 위에서 보듯이 수은등과 감지기를 적절한 각도로 조절함으로서 원하는 파장의 빛을 측정할 수 있게 한다. 그리고 아래에 보이는 디지털 멀티 미터를 통해서 전압을 측정해서 함으로써 우리가 원하는 실험 결과 치를 구할 수 있다.

사진2

사진3

단면으로 위의 구멍은 건전지의 전압을 측정하는 곳이고, 아래의 구멍에 위의 그림과 <사진2>는 감지기의 같이 연결해서 전압을 측정할 수 있다. 그리고 가운데 빨간색 버튼은 “0”점을 조절해주는 역할을 하게 된다. 실험 전에 배터리의 양이 충분한지 꼭 확인을 해야한다. 이는 위의 구멍을 통해서 전압을 측정했을 때 18V가 넘게 나오는지를 보면 확인할 수 있다.

<사진3>은 수은등을 통해서 나온 빛이 슬릿을 통해서 나오게 만들어진 장치이다. 그런데 앞 쪽에 보면 동그란 유리가 있는데, 이것이 슬릿을 통해서 나온 빛을 분광시켜서 아래의 그림에서 보듯이 여러 곳에서 빛이 관찰 될 수 있도록 해주는 것이다. 쉽게 생각해서 회절을 시켜서 빛이 파장에 따라서 퍼지게 해 주는 역할을 해준다고 볼 수 있다.

사진4

사진5

<사진4>는 이번 실험에서 Stopping Potential에 이를 때 까지 이르는 시간을 측정하는 데 사용된다. <사진5>는 이번 실험에서 사용되는 슬릿이다. 첫 번째 슬릿의 경우에는 빛의 통과랑을 20%단위로 조절시켜주는 슬릿으로 첫 번째 실험에서만 사용된다. 그리고 두 번째, 세 번째 슬릿은 각 각 노란색과 녹색 파장의 빛을 걸러주기 위해서 사용되는 것으로 다른 색의 슬릿은 왜 없는 지가 의문이다. (원래 없는 것인지, 아니면 없어진 것인지.. 있어야 할 것 같은데.)

사진6

사진7

<사진6>은 슬릿에서 나온 빛이 분광을 통해서 회절을 일으킨 다음, 감지기에 있는 스크린에 맺힌 모습이다. 지금의 경우에는 파란색 빛이 감지기로 들어가고 있는 모습이다. 위의 그림에서 보듯이 비교적 불연속적으로 여러색의 빛이 나타나므로 슬릿에 한 색의 빛만을 넣는 것이 비교적(?!) 쉬웠다.

<사진7>은 분광된 빛이 한 개가 아니라 여러 개가 나타난다는 것을 보여주는 장면이다. 종이로 주위를 감싸, 가시적으로 확인할 수 있게 하였다. 이 결과 한 방향으로 3개씩 총 6개로 나눠짐을 확인 할 수 있었다.

• 실험 결과 & 고찰

<실험1- Part A>

Yellow	(%) Transmission	Stopping Potential	Approx. Charge Time
	100	0.76 V	14.69 sec
	80	0.76 V	15.13 sec
	60	0.76 V	21.00 sec
	40	0.75 V	35.00 sec
	20	0.72 V	40.00 sec
Green	(%) Transmission	Stopping Potential	Approx. Charge Time
	100	0.88 V	12.45 sec
	80	0.88 V	17.47 sec
	60	0.87 V	26.00 sec
	40	0.86 V	24.00 sec
	20	0.83 V	28.25 sec

; Stopping Potential은 파장이 짧은 Green의 경우가 Yellow에 비해서 더 크게 측정이 되었다. 그리고 빛의 세기를 감소시켰을 경우, 큰 폭의 차이는 아니었지만, 감소하는 경향을 띄었다. 그런데 시간을 측정한 경우에는....위에 빨간 선으로 표시된 24.00sec의 경우는 우리의 예상에서 조금 빗나간 결과 였다... 60%에서 40%로 빛을 감소시켰음에도 불구하고 더 짧은 시간이 측정되었기 때문이다. 다시 실험 해보았지만, 유사한 결과가 나와서 왜 이렇게 측정되었는 지 단순히 결론 짓기가 힘들다.

<실험1- Part B>

Light Color	Stopping Potential
Yellow	0.70 V
Green	0.89 V
Blue	1.29 V
Violet	1.63 V

; 위의 표에서 아래로 갈수록 파장이 짧아지는 즉 , 진동수가 커지는 빛이다. 이러한 빛일 수록 큰 에너지를 가지기 때문에 Stopping Potential이 커지게 된다. ( E= hv-Wo)
여기서 중요한 점은, Stopping Potential은 빛의 세기가 아닌 빛의 진동수에 따라서 결정된다는 것이다.

<실험2> 에너지의 파장과 주파수 사이의 관계

First Order Color	Wavelength (nm)	Frequency(1014Hz)	Stopping Potential (V)
Yellow	578	5.18672	0.56
Green	546.074	5.48996	0.59
Blue	435.835	6.87858	0.78
Violet	404.656	7.40858	1.35
Second Order Color	Wavelength (nm)	Frequency(1014Hz)	Stopping Potential (V)
Yellow	578	5.18672	0.47
Green	546.074	5.48996	0.53
Blue	435.835	6.87858	0.67
Violet	404.656	7.40858	0.86
Third Order Color	Wavelength (nm)	Frequency(1014Hz)	Stopping Potential (V)
Violet	404.656	7.40858	0.73

; 우리 조의 경우에는 실험 오차가 조금 많이 난 듯하다. Violet만 비교해 보아도, 세 곳에서 관측되는 Stopping Potential이 거의 일치해야하는 데 차이가 많이 났다. 이는 1번 실험에서 빛의 양을 20%까지 줄였을 때는 전압이 낮게 측정되는 것과 유사한 현상인 것 같다. 이론적으로는 동일하게 측정이 되어야 하지만, 실제 실험의 여러 변수 때문에 그러하지 못했던 듯 하다. 전반적으로 첫 번째 빛에서 두 번째 빛으로 갈수록 전압이 낮게 측정되었다.
그래서 위의 데이터를 통해서 플랑크 상수를 구하는 경우에 First Order Color들을 이용해서 하겠다. (이것이 가장 정확하게 측정된 데이터 인 것 같아서...)

Color	Frequency(1014Hz)	Stopping Potential X e (10-20V)
Yellow	5.18672	8.92
Green	5.48996	9.45
Blue	6.87858	9.75
Violet	7.40858	21.62

;위의 데이터는 U=qV의 공식에 입각하여, 우리가 구한 전압에 전하량을 곱해서 그 전하의 에너지를 구한 값이다. Yellow,Green,Blue는 자연스럽게 증가하는 모습을 보였으나, Violet에서는 급격하게 증가하는 모습이 나타났다.
그런데 이 실험에서 조금 의문점인 점은 노란색과 녹색 빛의 경우에는 그 색의 슬릿을 씌워서 주변의 파장의 빛은 제거하고 거의 단일 파장의 빛만 들어오게 하는 데 반하여, 다른 파장의 빛은 그냥 통과를 시켜버린다. 이렇게 되면, 비교적 넓은 범위의 파장이 감지기로 들어갈 수 있게 된다. 이론적으로는 이렇게 되더라도 크게 상관이 없을 것 같지만, 실험적으로 볼 때 빛의 양이 많을수록 작지만 더 높은 전압이 측정됨을 확인할 수 있었다. 그러므로, 굳이 일부 파장의 빛에만 슬릿을 씌워서 실험할 필요는 없을 것 같다.

플랑크 상수 구하기!!

h= (Stopping Potential X e)의 변화량 / Frequency 의 변화량

1.Green~Yellow : 1.77 X 10-34
2.Ultraviolet~Blue : 22.39 X 10-34

실제 플랑크 상수는 6.626 X 10-34 이다. 우리과 구한 값은 이 값을 전후로 해서 측정되었는데, 비교적 스케일은 유사했기 때문에 의미있는 실험이 된 것 같다. 그렇지만 좀 더 근접하지 못한 점이 아쉽고, 실험 오차는 다른 빛의 관여와 위에서 언급했듯이 실험 장치 자체가 정밀하지 못한 점 때문일 것 같기도 하다. 그리고 우리 눈으로 녹색과 노란색등 색을 구분할 때 개인차에 의해서 색도 조금씩 다른 부분을 측정하게 되므로, 이론적으로 녹색파장이라고 정의한 부분을 우리가 측정한 것이 아닐 가능성이 높다.

일함수를 구해서 Photodiode의 금속을 추측해보자!!

우리 조의 실험 결과 Wo는 0.7~0.8 eV정도였는데, 이 결과는 발표 조에서 제시한 금속별 일함수와 비교해봤을 때 일치하는 금속을 찾을 수가 없었다.


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